[論文レビュー] Review and Report on Results of Leptonic Decays of $D^+$ and $D^+_s$ Mesons

G. Rong|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、$D^+$および$D_s^+$メソンのレプトン的崩壊に関する最新の実験結果をレビューし、崩壊定数$f_{D^+}$および$f_{D_s^+}$、およびCKM行列要素$|V_{cd}|$と$|V_{cs}|$の正確な測定に焦点を当てている。$e^+e^-$および固定標的に基づく実験データを用いて、$f_{D^+}$と$f_{D_s^+}$の精度はそれぞれ2.4%および1.6%に達し、CKMfitterとの比較で$|V_{cs}|$に2.2σの不一致が見つかり、これは標準模型を超える新しい物理の可能性を示唆している。

ABSTRACT

In the last 25 years, many $e^+e^-$ experiments and fixed-target experiments performed to search for and study the leptonic decays of the $D^+$ and $D^+_s$ mesons. By 2012, more than 530 signal events of the $D^+$ leptonic decays and about $4 imes10^3$ signal events of the $D^+_s$ leptonic decays have been accumulated at these experiments. With these leptonic decay signal events, both decay constants $f_{D^+}$ and $f_{D_s^+}$ are, respectively, measured at an accuracy level of 2.4% and 1.6%, which can be used to more precisely test the LQCD calculations of the decay constants. Comparing these precisely measured $f_{D^+}$ and $f_{D_s^+}$ with those predicted with theories based on QCD provides some information about New Physics beyond the Standard Model. In addition to these, with the measured branching fractions for $D^+ ightarrow l^+ν$ and $D_s^+ ightarrow l^+ν$ decays, the CKM matrix elements $|V_{ m cd}|$ and $|V_{ m cs}|$ can be determined. Comparing these $|V_{ m cd}|$ and $|V_{ m cs}|$ to those determined from the CKMfitter or extracted from $D$ meson semileptonic decays can also provide some information about the New Physics. In this article, we review and report the results on the leptonic decays of $D^+$ and $D^+_s$ mesons measured at different experiments. For the results which have already been published, we review these in shorter summaries, while for the results which have not been published or have not been reported yet before we report these with more detailed discussion.

研究の動機と目的

• 2012年現在の$e^+e^-$および固定標的実験からの$D^+$および$D_s^+$レプトン的崩壊に関する最新の実験結果を要約・報告すること。
• 格子QCD（LQCD）計算の検証を目的として、崩壊定数$f_{D^+}$および$f_{D_s^+}$の正確な測定を提供すること。
• $D^+$および$D_s^+$レプトン的崩壊から$|V_{cd}|$および$|V_{cs}|$を抽出し、グローバルCKMフィットと比較すること。
• $|V_{cs}|$および崩壊定数の測定値と予測値の不一致を通じて、新しい物理の兆候を調査すること。
• 標準模型の検証および新しい物理の探索を目的とした、BES-IIIおよびBファクトリー実験における今後のデータ収集戦略を示唆すること。

提案手法

• BES-III、BELLE、BaBar、CLEOを含む複数の$e^+e^-$および固定標的実験のデータを用い、$D^+$および$D_s^+$レプトン的崩壊イベントを収集する。
• 標準模型の理論的枠組みを適用し、崩壊幅を公式$\Gamma(D_{(s)}^{+}\rightarrow l^{+}\nu_{l})=\frac{G^{2}_{F}f^{2}_{D_{(s)}^{+}}}{8\pi}|V_{\rm cd(s)}|^{2}m^{2}_{l}m_{D_{(s)}^{+}}\left(1-\frac{m^{2}_{l}}{m^{2}_{D_{(s)}^{+}}}\right)^{2}$により計算する。
• イベント再構築およびバックグラウンド抑制を実施し、$D^+ \to \mu^+\nu$および$D_s^+ \to \mu^+\nu$、$\tau^+\nu$崩壊信号を分離する。
• 実験的ブランチング比と理論的フォーム因子を組み合わせて、$|V_{cd}|$および$|V_{cs}|$を抽出する。
• 測定された$f_{D^+}$および$f_{D_s^+}$を格子QCD予測と比較し、理論的計算の妥当性を検証する。
• $D_s^+$崩壊からの$|V_{cs}|$とグローバルCKMフィットとの不一致を分析し、新しい物理の兆候を調査する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2012年現在、$D^+$および$D_s^+$レプトン的崩壊からの崩壊定数$f_{D^+}$および$f_{D_s^+}$の最も正確な実験的測定値は何か？
• RQ2 測定された$f_{D^+}$および$f_{D_s^+}$の値は、格子QCD予測とどのように比較されるか？理論的計算にどのような含意があるか？
• RQ3 $D_s^+$レプトン的崩壊から抽出された$|V_{cs}|$値とグローバルCKMフィットの値に不一致があるか？それは何を示唆するか？
• RQ4 観測された$2.2\sigma$の$|V_{cs}|$のずれがCKMfitterの結果から生じる意義は何か？これは新しい物理を示唆している可能性があるか？
• RQ5 標準模型をさらに検証し、新しい物理を探索するための今後のデータ収集戦略は何か？

主な発見

• BES-III実験は、$D^+ \to \mu^+\nu$のブランチング比について、世界で最も正確な測定値を報告した：$B(D^+ \to \mu^+\nu) = (3.74 \pm 0.21 \pm 0.06) \times 10^{-4}$。
• BES-III共同研究グループは、$f_{D^+} = (203.9 \pm 5.7 \pm 2.0)$ MeVを測定し、2.4%の不確実性を達成した。これは格子QCD計算に対する厳密なテストを提供する。
• BELLE実験は、$D_s^+$崩壊に関して最も正確な値を報告した：$B(D_s^+ \to \mu^+\nu) = (0.528 \pm 0.028 \pm 0.019)$%および$f_{D_s^+} = (255.0 \pm 4.2 \pm 5.0)$ MeV（1.6%の不確実性）。
• 世界平均の崩壊定数は、$f_{D^+} = (205.3 \pm 5.1)$ MeVおよび$f_{D_s^+} = (256.8 \pm 4.1)$ MeVであり、比$f_{D_s^+}/f_{D^+} = 1.251 \pm 0.037$が得られた。
• 測定された比$f_{D_s^+}/f_{D^+}$は、格子QCD予測の$1.156 \pm 0.007$よりも2.5σ高い。これは理論との間に潜在的な緊張を示唆している。
• $D_s^+$レプトン的崩壊から抽出された$|V_{cs}|$値は、$|V_{cs}|_{\rm CKMfitter}$値よりも2.2σ大きい。これは、新しい物理の兆候である可能性を示唆している。